近日，北京大学物理学院量子材料科学中心孙栋团队联合湖南大学、天津大学科研团队，完成 LuminoMem 新型碲基超快非易失性光电存储器研发，相关成果发表于《Nature Communications》。该器件将电荷存储与中红外光输出集成于同一功能层，简化传统光电转换链路，为下一代光子计算硬件路线提供全新原型，同时对微纳加工、光电表征设备迭代提出明确工程参考方向。
在 AI 算力持续迭代背景下，冯?诺依曼架构带来的数据搬运、电光多次转换造成的延迟与能耗，已经成为光电存算一体工程落地的主要阻碍。现有方案大多采用存储单元、读出电路、独立电光调制器分立架构，器件数量多、链路复杂，系统集成成本居高不下。行业亟需能够实现 “电写权重、光做计算” 的一体化存储单元，减少中间转换环节，降低整机硬件复杂度。
本次研究创新在于碲基功能集成层的结构设计，将碲纳米片同时作为电荷存储层与发光介质，搭配六方氮化硼隧穿层构建多层石墨烯 / 六方氮化硼 / 碲 / 二氧化硅 /p 型硅范德华异质浮栅结构。不同于传统器件多层功能分立设计，该结构依靠单一材料层同时完成电荷俘获存储、光信号输出，省去外部电光调制器件，从器件架构层面缩减系统硬件单元数量。
该原型器件制备对工艺设备提出较高要求。异质结堆叠依赖高二维材料转移系统，对层间界面洁净度、对位、无残胶转移能力严苛；碲基超薄纳米片制备、图形化刻蚀需要高微纳加工平台。器件性能验证环节，需要半导体参数分析仪完成脉冲电学编程、循环稳定性、保持特性测试，搭配中红外光致发光测试系统、1550nm 波段激光测试平台，完成多阶光强输出、无损读取、动态响应时间等指标标定。整套工艺与测试流程，也为国内微纳加工、光电表征设备的功能开发提供真实的应用场景参考。
从实测工程指标来看，该原型器件单单元实现 4 bit 多阶存储，可输出 16 级可分辨发光强度；50 纳秒即可完成状态切换，存储态保持时间可达 10000 秒，循环测试稳定超过 1000 次，同时实现读取过程电荷无损。科研团队基于该硬件原型搭建三层全连接神经网络开展图像分类验证，在带入器件非理想特性条件下识别准确率达到 86.9%，引入 20% 随机噪声后仍维持 76.6% 识别，硬件原型具备良好的容错能力，验证了该结构用于突触权重更新的工程可行性。
业内分析指出，该成果的价值不局限于实验室原型本身。传统光电存算芯片往往需要大量外围电路完成电 光转换，带来功耗与体积压力，而 LuminoMem 器件架构打通存储直接输出光信号的技术路径，未来向阵列化拓展后，有望降低光子计算芯片外围配套器件的设计压力。除光子计算之外，该器件架构在中红外气体传感、自由空间光通信领域同样具备潜在应用前景。
同时也要看到，目前该成果仍处于实验室原型阶段，距离产业化阵列芯片还有较多工程化难题亟待攻克。后续需要解决碲基薄膜大面积均匀制备、晶圆级异质结堆叠良率提升、阵列单元一致性管控等问题，对应的材料生长、微纳转移、在线表征设备都需要同步迭代升级。